Magyar kísérlet készül a Nemzetközi Űrállomásra

Az ultraibolya sugárzás a kémiai és biokémiai folyamatok serkentésében, valamint az élővilág evolúciójában is döntő szerepet játszott. A biológusok nem csupán passzívan figyelik az élőlények, illetve egyes szerves anyagok reakcióját a rövid hullámhosszú sugárzásokra, de azt laboratóriumokban modellezik is. Ilyen munka zajlik az MTA-SE Biofizikai Kutatólaboratóriumában, ahol a Földön kívül jellemző sugárterhelés következményeit tanulmányozzák, részben a Nemzetközi Űrállomásra repülő kísérletet is előkészítve. A vizsgálatok az élőlények ultraibolya sugártűrése szempontjából hozhatnak új eredményeket, és akár a marsi élet lehetőségének vizsgálatához is hozzájárulhatnak. 

Földi szimuláció

Általánosan ismert, hogy az ultraibolya (UV) sugárzás a kémiai, biokémiai folyamatok stimulálásában, valamint az élővilág evolúciójában is döntő szerepet játszott, illetve játszik. Ultraibolya sugárzás a 400 nm-nél rövidebb hullámhosszúságú elektromágneses sugarakat jelenti, amely Naprendszerünkben a Nap sugárzásából származik. Az UV-sugárzást a hullámhosszak szerint több tartományra osztjuk, ezt mutatjuk be az 1. ábrán. Az UV-sugárzás különböző tartományairól közismert, hogy az élet szempontjából fontos biológiai makromolekulákra (nukleinsavak, fehérjék, membránok) nézve elsősorban nem csak stimuláló, hanem károsító hatást is kifejthetnek.

1. ábra: A napsugárzás ultraibolya spektruma: UV-A: 320-400 nm (nanométer), UV-B: 280-320 nm, UV-C: 280 nm alatt. A három különböző görbe az UV-sugárzást a tengerszinten, a sztratoszférában és a légkörön kívül ábrázolja

Földi körülmények között a légkör oxigén- és ózontartalma, sőt további légköri komponensek (pl. kén-dioxid, aeroszolok) jelentős mértékben védik az élővilágot a káros sugaraktól. Utóbbi esetben az UV-tartománynak a 280-290 nanométernél rövidebb hullámhosszúságú sugarairól van szó. Ebből következik, hogy a földi légkörön kívül található élő rendszerek esetében ezeknek az UV-komponenseknek a biológiai hatásával is számolni kell. Ugyanez a helyzet a világűrön keresztül megvalósuló élő anyagtranszport, valamint például a Marson esetleg előfordul, jelenlegi élő, vagy valamikori élő rendszerek esetében. A kérdés tehát úgy merül fel, hogy egy adott élő rendszer milyen esélyekkel éli túl a sugárzás hatását egy olyan UV-sugárforrás mellett, amely 280 nm-nél rövidebb hullámhosszúságú sugárzást is kisugároz.

A kérdés megközelítésére a Mars felszínén uralkodó sugárzási viszonyoknak megfelelő, speciális fényforrást konstruáltunk, és ezt használtuk fel kísérleteinkhez. A lámpa ún. emissziós spektrumát a 2. ábra mutatja, amiből kitűnik, hogy a sugárzási térben a legrövidebb hullámhosszúságú sugárzás 200 nanométer. Ez a spektrum megfelel a Marson uralkodó sugárzási viszonyoknak, ahol az egyedüli fényforrás a Nap. A napsugárzás a világűrön keresztül, majd a Mars légkörén át (amelynek döntő fontosságú alkotórésze a 7 mbar nyomású szén-dioxid) lép a bolygó felszínére, de az igen vékony gázrétegen keresztül összetétele kevéssé változik. A szimulációs kísérlet azt jelenti, hogy az adott összetételű UV-sugárzás mint kiválasztott környezeti paraméter (adott esetben az UV-fény) hatásának biológiai következményeit tanulmányozzuk.

2. ábra: A marsi UV-spektrum szimulációja; a szaggatott vonal az elméleti számítások, a folytonos pedig a lámpa mérések szerinti spektruma

Kísérleti minták

Kísérleti biológiai rendszerként asztrobiológiai célokra gyakran alkalmazunk egyszerű biológiai objektumokat. Kutatásainkban két igen egyszerű mintát használtunk: T7 bakteriofágot és egy speciális nukleinsavbázist, uracilt. A T7 fág egy jól ismert baktériumvírus, amely egyetlen nukleinsav- és néhány fehérjemolekulából áll. Az uracilmolekula a nukleinsav egyik jellemző alkotórésze, a genetikai kód egy eleme. Ugyanezek az alkotóelemek fordulnak elő az élő sejtekben is, tehát a kísérleti minták relevanciája egyértelmű. A 3. ábrán az említett két minta sematikus képét mutatjuk be. Kiemeljük a bemutatott objektumok mérete közti különbséget: egy T7 fág részecske (amely tulajdonképpen egy nukleoproteid-óriásmolekula) átmérője a milliméter 6 milliomod része (60 nm), míg egy uracilmolekula ennél jóval kisebb, a milliméternek kb. százmilliomod része.

3. ábra: Kísérleti objektumaink: a T7 bakteriofág és a nukleinsav-alkotórész, uracil sematikus szerkezete

A mintákat a kísérletekhez részben oldatok (kvarc küvettában), részben 16 mm átmérőjű kerek kvarclemezre rávitt vékonyrétegek formájában alkalmaztuk. A T7 fág-rétegeket oldatukból centrifugálással ülepítettük a lemezre, az uracilrétegeket pedig vákuum-párologtatásos módszerrel állítottuk elő. A besugárzáshoz használt UV-fényt (marsi UV-szimulációs lámpa) - a szivárványhoz hasonlóan - felbontottuk 10 nm szélességű sávokra. A Marson uralkodó UV-sugártérben a biológiai rendszerekre nézve különösen érdekes a 210 nm és a 340 nm közötti tartomány, mivel ezek a hullámhosszak földi körülmények között nincsenek jelen. A tartományt kilenc részre, ún. sávokra osztottuk fel, és minden egyes sávval egyre növekvő mértékben sugároztuk be a mintákat.

Forrás: MTA-SE Biofizikai Kutatólaboratórium

A besugárzás által okozott károsodást spektrofotométerrel, az uracilréteg jellemző elnyelésének változásával (csökkenésével) mutattuk ki (mértük meg). A tapasztalat szerint a változás mértéke az alkalmazott besugárzás nagyságával növekszik, azaz a jellegzetes elnyelés mértéke függ a rétegre beeső fény dózisától (energiasűrűségétől): a mért változás a beeső fény dózisának függvénye, ez az ún. dózishatás függvény. A nyert függvények (összesen kilenc különböző függvény) analíziséből hullámhossz-tartományonként meghatároztuk az uracilmolekula sérülési sebességét. A függvények analízise alapján kimutattuk, hogy a sérült uracilmolekula a 210-260 nm-es hullámhossztartomány hatására vissza is alakul ép uracillá, tehát ha 210-260 nm közötti hullámhosszúságú UV-sugarak is részt vesznek az uracilt tartalmazó rendszerek besugárzásában, akkor mind a sérülés létrejötte, mind pedig visszaalakulása egyaránt bekövetkezhet, és végül is az ép és sérült molekulák keletkezése és visszaalakulása között egyensúlyi állapot alakul ki.

EXPOSE/ROSE kísérlet

Előkészítés alatt álló in situ kutatásunk a nemzetközi összefogással működő EXPOSE-R berendezésben a Nemzetközi Űrállomás (International Space Station; ISS) külső részén a közelmúltben telepített Columbus modulon kap majd helyet. A kiválasztott biológiai rendszerek elektromágneses (ultraibolya; UV) és kozmikus/részecske-sugárzásra adott válaszát, illetve a sugárzásokból elszenvedett dózisát kívánjuk tanulmányozni. A Biofizikai Kutatólaboratórium a ROSE (Response of Organisms to the Space Environment) kutatási konzorcium tagjaként vesz részt a kísérletekben. A kísérlet jelenleg abban a fázisban van, amikor az összes szükséges előzetes vizsgálat (Experiment Verification Test; EVT 1-4, valamint az Experiment Sequence Test; EST) már sikerrel megtörtént, és megvan a minták elrendezésének, a besugárzó berendezésen való akkomodációjának a terve is.

A következő lépés a minták előkészítése lesz a Nemzetközi Űrállomásra történő szállításra. A minták expozíciója a Nemzetközi Űrállomáson már in situ kísérlet lesz, azonban az előkészületekben a DLR (Köln) földi szimulációs kamrájában vizsgáltuk meg azt, hogy a mintáink (T7 fág és uracil) milyen körülmények között használhatók fel a Föld körüli pályán, amihez a szimulációs kamrában a lehetséges kedvező környezeti feltételeket teremtettük meg.
Az alábbi táblázat foglalja össze azokat a paramétereket, amik a Föld "közelében", a világűrben uralkodó körülményeket jellemzik.

A Nemzetközi Űrállomás kb. 350 kilométer távolságban kering a Föld felett, azaz az űrállomás külső felületén elhelyezendő EXPOSE besugárzó berendezésre nézve a "Föld körüli pálya" adatai közelítőleg érvényesek. A táblázat adataiból kitűnik, hogy a környezeti feltételek bizony zordak, például a vákuum már itt is jelentős, különösen akkor, ha tekintetbe vesszük, hogy a légkört már csupán néhányszor tízmillió oxigén- és néhány millió héliumatom képezi; összehasonlításul: a földi légkörben egyetlen köbcentiméter levegőben néhányszor 10¹⁹ molekula található. A külső sugárzásnak kiteendő mintákat tehát meg kell óvni a vákuum szívó hatásától. A probléma megoldására ún. szendvicsmintát konstruáltunk, és laboratóriumunkban el is készítettük. A mintatartó vázlatát a 4. ábra mutatja.

4. ábra: A mintatartó és alkatrészeinek fotója; a: alkalmazásra kész mintatartó, b: kvarc- vagy fluorid-ablak (kísérlettől függően), c: vitongyűrű, d, e: a mintatartó felső és alsó része, mindkettő rozsdamentes acélból

A mintatartó lapos, korong alakú, 16 mm átmérőjű szelence, az alján kvarc, a tetején pedig kalcium fluorid lemezzel záródik. A kvarclemezen van a fág- vagy uracil-vékonyréteg, a kalciumfluorid fedőlemez pedig alkalmas arra, hogy az extraterresztriális napsugarak számára átjárható legyen. A zárás vákuumbiztos, így lehetőség van arra, hogy a szelence belsejét bármilyen, pl. semleges (nem oxidáló) gázzal töltsük meg. A DLR űrszimulációs kamrájában a ROSE konzorcium kísérletei részben azt vizsgálják, hogy a biológiai rendszerek milyen feltételek mellett maradnak életképesek, részben pedig a sugárzás és egyéb tényezők által létrehozott genetikai, biokémiai, fotokémiai változásokat tanulmányozzák.

A konzorciumban a magyar része a PUR (Phage and Uracil Response) kísérlet, amelynek keretében vizsgáljuk a különböző mértékben (százszorosan, tízezerszeresen, milliószorosan) gyengített extraterresztriális UV-sugárzás hatására a T7 bakteriofágok életképességének a csökkenését, a T7 fág DNS-ében keletkező fotosérülések mennyiségét és minőségét, mind pedig kitüntetetten az uracilmolekula fotosérülését. Az eddig nyert dózis-hatás függvények analízise alapján azt reméljük, hogy az extraterresztriális térben, a Föld körüli pályán is kimutatható lesz a rövid hullámhosszúságú UV-sugarak károsodást visszafordító hatása.

Összefoglalás

Munka a laboratóriumban

A bevezetőben felvetett kérdésekre ugyan nem várható az asztrobiológiától azonnali és teljes válasz, de az eddigi szimulációs eredmények alapján sem lehet kizárni az élő rendszerek átjutását a világűrön keresztül egyik bolygóról (egyik űreszközről) a másikra. Valamely bolygó felszínéről elindult, és egy másik bolygó felé (esetleg meteoritban) tartó élő rendszert azonban számos környezeti tényező károsító hatása fenyegethet. E hatásokat Nicholson, Horneck és munkatársai részletesen elemezték. A szerzők elvi megfontolásai, valamint modelljeik alapján fennáll bizonyos valószínűsége annak, hogy - megfelelő körülmények között - a zord űrbeli feltételek ellenére is életképes biológiai rendszerek kerüljenek egyik bolygóról a másikra. Földi eredetű mikroorganizmusok egy része túlélheti az űrbéli tartózkodást, amihez az extraterresztriális napsugárzás rövid hullámhosszúságú komponenseinek károsítást visszafordító hatása is hozzájárulhat.

Fennáll tehát annak a veszélye, hogy a Földről elindított űreszközök átvihetik a mikroorganizmusokat egy másik bolygóra azaz fennáll annak a veszélye, hogy Naprendszerünk, illetve az Univerzum bármelyik élettel betelepíthető bolygóján idegen élővilág telepszik meg: a bolygó "fertőződik". Ez a felismerés felhívja a figyelmet a bolygók védelme érdekében az űreszközök indítás előtti gondos sterilizálására. Az előzőekből következik, hogy a világűrből esetlegesen bejutó idegen élő rendszerekkel szemben Földünk bioszférája is védelemre szorul, azaz a világűrből visszatérő eszközök, minták gondos kezelése legalább olyan fontos, mint a Földről indított eszközöké.

Rontó Györgyi, Bérces Attila
MTA-SE Biofizikai Kutatólaboratórium